UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
GRAU DE CONFIABILIDADE OPERACIONAL DE TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS PARA SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA
ELEANOR DIAS DE SOUSA
DM 22/2018
UFPA / ITEC / PPGEE Campus Universitário do Guamá
Belém-Pará-Brasil 2018
II
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ELEANOR DIAS DE SOUSA
GRAU DE CONFIABILIDADE OPERACIONAL DE TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS PARA SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA
DM 22/2018
UFPA / ITEC / PPGEE Campus Universitário do Guamá
Belém-Pará-Brasil 2018
III
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ELEANOR DIAS DE SOUSA
GRAU DE CONFIABILIDADE OPERACIONAL DE TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS PARA SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA
Dissertação submetida à Banca Examinadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFPA para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Elétrica na área de Sistemas de Energia Elétrica.
UFPA / ITEC / PPGEE Campus Universitário do Guamá
Belém-Pará-Brasil 2018
IV
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Sistema de Bibliotecas da
Universidade Federal do Pará
Gerada automaticamente pelo módulo Ficat, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
D278g De Sousa, Eleanor Dias
GRAU DE CONFIABILIDADE OPERACIONAL DE TRANSFORMADORES DE
INSTRUMENTOS PARA SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA / Eleanor Dias De Sousa. — 2018
123 f. : il. color
Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE), Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2018.
Orientação: Profa. Dra. Maria Emília de Lima Tostes
1. transformadores de instrumentos. 2. métodos estatísticos. 3. manutenção. 4. grau de confiabilidade. I. Tostes, Maria Emília de Lima , orient. II. Título
V
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA GRAU DE CONFIABILIDADE OPERACIONAL DE TRANSFORMADORES DE
INSTRUMENTOS PARA SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA
AUTOR: ELEANOR DIAS DE SOUSA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA À AVALIAÇÃO DA BANCA EXAMINADORA APROVADA PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ E JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA NA ÁREA DE SISTEMAS DE ENERGIA.
AVALIADA EM ____/_____/_____
BANCA EXAMINADORA:
Prof.ª: Dr.ª Maria Emília de Lima Tostes (Orientadora – PPGEE/UFPA)
Prof.: Dr. Ubiratan Bezerra (Avaliador Interno - PPGEE/UFPA)
Prof.: Dr. Edson Ortiz de Matos (Avaliador Externo – PPGEE/UFPA)
VISTO:
Prof.ª: Dr.ª Maria Emília de Lima Tostes (COORDENADOR DO PPGEE/ITEC/UFPA)
VI
DEDICATÓRIA
À minha filha Isabela que se tornou uma das minhas maiores inspirações e incentivo de vida, ao meu marido Marcus, aos meus pais e irmãos pelo crédito, apoio e fortaleza a mim dedicados neste período.
VII
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer em especial ao meu marido Marcus Nunes, pela dedicação, incentivo e encorajamento a mim desvelado neste momento. Você mostrou-me em gestos e palavras que nunca devemos desistir.
Aos meus pais, Maria e Benedito, e meus irmãos, Alexandre e Lourenço, pelo incentivo, apoio e paciência a mim dedicados.
Às minhas amigas, Alcione e Luciana, pelas palavras de conforto e incentivo, quando necessárias.
À prof.ª Maria Emília Tostes, por me receber e aceitar com tanto carinho. Estou extremamente grata por sua orientação nessa dissertação.
VIII
CITAÇÃO
“A mais bela coisa que podemos vivenciar é o mistério. Ele é fonte de qualquer arte verdadeira e qualquer ciência. Aquele que desconhece esta emoção, aquele que não para mais para pensar e não se fascina, está como morto: seus olhos estão fechados. ”
IX SUMÁRIO Capítulo 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Introdução ... 1 1.2 Motivação e Justificativa ... 2 1.3 Estado da Arte ... 3 1.4 Objetivos ... 8 1.4.1 Objetivos Gerais ... 8 1.4.2 Objetivos Específicos ... 8
1.5 Estrutura e Organização do Trabalho ... 9
1.6 Trabalho Aceito para Publicação ... 10
Capítulo 2 QUALIDADE DE ENERGIA, COM FOCO EM QUALIDADE DE SERVIÇOS ... 11
2.1 A Energia Elétrica, Qualidade e Definições ... 11
2.1.1 QEE e Grandezas ... 12
2.2 Qualidade do Fornecimento de EE Focado no Setor da Transmissão: Confiabilidade e Presteza ... 13
2.3 Conceituação da Qualidade no Fornecimento de EE, visando o Setor da Transmissão ... 15
2.4 Confiabilidade para Qualidade do Fornecimento de EE ... 17
2.4.1 Adequabilidade ... 17
2.4.2 Segurança... 19
2.4.3 Conformidade ... 20
2.4.4 Atendimento Comercial ... 22
2.5 Indicadores de Confiabilidade na Distribuição de Energia ... 22
2.6 Indicadores de Confiabilidade na Rede Básica de Transmissão ... 26
2.7 Indicadores de Presteza para Sistemas de Distribuição e Transmissão ... 30
2.8 Regulação da Qualidade na Transmissão de EE ... 34
2.9 Regulação da QEE e Serviços na Geração de EE ... 36
2.10 Conclusões ... 37
Capítulo 3 Confiabilidade com Foco no SEP ... 39
3.1 Introdução ... 39
3.2 Fundamentos Teóricos ... 40
X
3.2.2 Conceitos Básicos de Confiabilidade ... 43
3.2.3 Tipos de Falhas ... 45
3.2.4 Classificação de Tipos de Falhas ... 46
3.2.5 Analise de Tempos de Falhas ... 47
3.2.6 A Função Confiabilidade ... 48
3.3 Confiabilidade e Manutenção ... 49
3.3.1 Confiabilidade e conceitos de Disponibilidade e Indisponibilidade ... 49
3.3.2 Conceitos de Manutenção ... 50
3.3.3 Correlação Confiabilidade e Manutenção ... 51
3.3.4 Confiabilidade para o SEP ... 52
3.4 Faltas, Interrupções e Indicadores de Confiabilidade ... 52
3.4.1 Definição de Falta para o Setor Elétrico ... 52
3.4.2 Definição de Interrupção para o Setor Elétrico ... 53
3.4.3 Indicadores de Confiabilidade para a Transmissão de Energia ... 54
3.5 Considerações Finais do Capítulo ... 55
Capítulo 4 Análise dos Distribuições Probabilísticas ... 57
4.1 Introdução ... 57
4.2 Principais Distribuições Utilizadas em Confiabilidade ... 58
4.2.1 Distribuição Binomial ... 59
4.2.2 Distribuição de Poisson ... 60
4.2.3 Distribuição Multinomial ... 61
4.2.4 Distribuição Exponencial ... 62
4.2.5 Distribuição Normal ou Gaussiana ... 63
4.2.6 Distribuição Log-Normal ... 65
4.2.7 Distribuição Weibull ... 66
4.3 Considerações Finais ... 67
Capítulo 5 Análise e Resultados ... 69
5.1 Introdução ... 69
5.1.1 Breve Definição e Equacionamento para Distribuição Gaussiana ... 70
5.2 Metodologia Aplicada ... 72
5.2.1 Definição de Cálculo de Variáveis para Análise ... 72
5.2.2 Definição de Análise Realizada para aplicação da Distribuição Normal ... 75
XI
5.3.1 Mapeamento de Equipamentos Instalados ... 77
5.3.2 Estratificação Problemas ... 82
5.3.3 Resultados Finais ... 89
5.4 Conclusões do Capítulo ... 96
Capítulo 6 Conclusão ... 98
6.1 Sugestões para Trabalhos Futuros ... 99
XII
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 - Gráfico da Onda Senoidal Típica da Tensão...04
Figura 1.2 - Gráfico da Onda Senoidal Típica da Tensão...05
Figura 2.1 - Gráfico da Onda Senoidal Típica da Tensão...11
Figura 2.2 - Distúrbios Associados à Qualidade de Energia Elétrica...12
Figura 2.3 - Dimensões da qualidade do fornecimento de energia elétrica...16
Figura 2.4 - Trajetória dos indicadores de continuidade DEC ...24
Figura 2.5 - Trajetória dos indicadores de continuidade FEC...24
Figura 2.6 - Ocorrências no Sistema Elétrico Brasileiro: montante de carga interrompida e número de ocorrências...25
Figura 2.7 - Maiores blackouts no mundo por população afetada População afetada (milhões)...26
Figura 2.8 – Índice de Robustez da Rede Básica – período de 2012 a ABR/2018...27
Figura 2.9 – Índice de Duração Equivalente de Interrupção de Carga – período de 2012 a ABR/2018...28
Figura 2.10 – Índice de Frequência Equivalente de Interrupção de Carga – período de 2012 a ABR/2018...29
Figura 2.11 – Índice de Energia Não Suprida - período de 2012 a ABR/2018...30
Figura 2.12 - Número de reclamações recebidas pelos órgãos de defesa do consumidor – Atendimento por área até ABR/2018...31
Figura 2.13 - Qualidade do fornecimento de energia elétrica para a Industria Brasileira...33
Figura 2.14 - Pesquisas de Satisfação do Cliente – IASC...33
Figura 3.1 – Custo Incremental da Confiabilidade...42
Figura 3.2 – Confiabilidade e os Custos Totais do Sistema...43
Figura 3.3 – Curva em Banheira...46
Figura 3.4 – Distribuições de Vida mais Utilizadas...47
Figura 3.5 – Curva Representantiva da Diminuição da População Útil em Função do Tempo...49
Figura 4.1 – Exemplos de Curvas de Distribuições (f.d.p.)...57
Figura 4.2 - Distribuição Exponencial ...63
Figura 4.3 - Curva da Função de Probabilidade Acumulada da Distribuição Normal..64
XIII
Figura 4.5 - Função densidade de probabilidade da distribuição log-normal para µ = 0
e diferentes valores de 𝜎 ...65
Figura 4.6 - Função distribuição acumulada da distribuição log-normal para µ = 0 e diferentes valores de 𝜎 ...66
Figura 4.7 - Funções densidade de probabilidade deWeibull para valores selecionados de 𝛿 e 𝛽...67
Figura 5.1 - Distribuição Gaussiana ou Normal ...70
Figura 5.2 - Distribuição Normal, mostrando simetria ...71
Figura 5.3 - Curva da Densidade de Probabilidade da Distribuição Normal ...71
Figura 5.4 – Circuito de ensaio para transformador sem terminal especial para medição de tangente delta ...73
Figura 5.5 – Circuito de ensaio para transformador com terminal especial para medição de tangente delta ...73
Figura 5.6 – Limites das classes de exatidão 0,3 – 0,6 – 1,2 ... 74
Figura 5.7 - Fluxograma Metodologia Controle de TIs com Distribuição Normal ....76
Figura 5.8 – Parte da Tabela de Taxas de Depreciação MCPSE ... 79
Gráfico 5.1 - Comparação Universo de TCs instalados e energizados por TCs >30 anos em Operação ...80
Gráfico 5.2 - Comparação universo de TPs instalados e energizados por TPs > 30 anos em Operação ...80
Gráfico 5.3 - Estratificação Pontos Críticos TC’s em operação > 30 anos por Subestação e Fabricante ...82
Gráfico 5.4 - Estratificação Pontos Críticos TPs em operação > 30 anos por Subestação e Fabricante ...82
Gráfico 5.5 – Principais Defeitos em TCs de 230kV ...84
Gráfico 5.6 – Comparação de Universos total de TCs com os TCs > 30 anos em operação de 230kV ... 85
Gráfico 5.7 – Principais Defeitos em TCs de 500kV ... 86
Gráfico 5.8 – Comparação de Universos total de TCs com os TCs > 30 anos em operação de 500kV...87
Gráfico 5.9 – Principais Defeitos em TP’s de 230kV ... 87
Gráfico 5.10 – Comparação de Universos total de TPs com os TPs > 30 anos em operação de 230kV ... 88
XIV
Gráfico 5.12 – Comparação de Universos total de TPs com os TPs > 30 anos em operação de 500kV ...89 Gráfico 5.13. Representação de fator de potência ...92 Gráfico 5.14. Representação de capacitância ... 92
XV
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Assuntos mais demandados de reclamações recebidas pelos órgãos de
defesa do consumidor até ABR/2018 ...32
Tabela 2.2 – Problemas por assuntos – Energia Elétrica mais demandados de reclamações recebidas pelos órgãos de defesa do consumidor até ABR/2018...32
Tabela 2.3 – Itens avaliados para o IASC – evolução 2013 ...33
Tabela 5.1 – Limites de erro de relação e deslocamento de fase TPs de proteção ... 75
Tabela 5.2 – Limites de tolerância para ∂ ...75
Tabela 5.3 - Nº TCs Instalados e em Operação Área Pará ...77
Tabela 5.4 TCs por Fabricantes e Níveis de Tensão ... 78
Tabela 5.5 Nº TPs Instalados e em Operação Área Pará ...78
Tabela 5.6 - TPS por Fabricantes, Tipos e Níveis de Tensão ...79
Tabela 5.8- Intervalo para Capacitância ...90
Tabela 5.9 - Intervalo para Fator de Potência ... 90
Tabela 5.10 - Resultados Comparativos Comissionamento, Inspeção Quinquenal e Reteste TCs 500kV – Fabricante A ... 91
Tabela 5.11 Medição TPs 230kV – Subestação Belém ... 94
XVI
RESUMO
Os transformadores de instrumentos (TIs) tais como: transformadores de corrente (TCs), transformadores de potencial (TPs) e os transformadores de potencial capacitivo (TPCs) constituem equipamentos fundamentais nos sistemas que envolvem proteção, comando, controle, supervisão e medição relacionados ao Sistema Elétrico de Potência - SEP. A finalidade de avaliar a confiabilidade de equipamentos de subestações, em especial TCs e TPs, e do impacto causado às Funções de Transmissão (FT) a que estes equipamentos pertencem, é para melhor gerenciamento das programações de manutenções, visando a minimização dos desligamentos programados, a eliminação ou redução dos desligamentos intempestivos e restrições operativas para o Sistema de Transmissão do Pará - PA. A escolha dos TIs para esta dissertação, deveu-se às ocorrências de explosões em TCs entre os anos de 2015 a 2016, e alguns casos de divergências em medições relacionadas a TPs, sendo que estes equipamentos se encontram instalados nas subestações pertencentes a Eletrobrás Eletronorte-PA. O objetivo é propor uma metodologia para controle de TIs baseado em métodos estatísticos que considerem para ambos equipamentos (TCs e TPs): o histórico de manutenção, locais de instalação, as diversas famílias, tempo de operação, ocorrências sistêmicas e tempo de vida útil, para estimar grau de confiabilidade operacional destes equipamentos com base em desvio padrão, a ser aplicado nas subestações da Regional de Operação do Pará. Visando a confiabilidade de diagnósticos complementares e apoio ao planejamento da manutenção, com o intuito de reduzir o impacto financeiro negativo causado por aplicação de Parcelas Variáveis (PVs) intempestivas e/ou restrições operativas. Auxiliando em decisões gerenciais quanto a previsão de possíveis substituições de TCs e TPs que possam vir a falhar, permitindo a garantia de continuidade dos serviços de transmissão de energia elétrica do Pará aplicando os conceitos de Qualidade de Energia Elétrica, com foco na qualidade de serviços.
Palavras-chaves: transformadores de instrumentos, métodos estatísticos, manutenção, grau de confiabilidade.
XVII
ABSTRACT
Instrument transformers (ITs) such as current transformers (CTs), potential transformers (PTs) and capacitive potential transformers (CPTs) are fundamental equipment in systems involving protection, command, control, supervision and measurement related to the Electric Power System – EPS. The purpose of evaluating the reliability of substation equipment, in particular CTs and PTs, and the impact caused to the Transmission Functions (TFs) to which these equipments belong, is for better management of maintenance schedules, aiming at minimizing scheduled shutdowns, elimination or reduction of untimely disconnections and operational restrictions for the Transmission System of Pará. The choice of the ITs for this dissertation was due to the occurrence of explosions in CTs between the years 2015 to 2016, and some cases of divergences in measurements related to PTs, being that these equipments are installed in the substations belonging to Eletrobrás Eletronorte. The objective is to propose a methodology for IT control based on statistical methods that consider for both equipment (CTs and PTs): maintenance history, installation sites, different families, operating time, systemic occurrences and useful life, to estimate the degree of operational reliability of these equipments based on standard deviation, to be applied in the substations of the Regional Operation of Pará. Aiming at the reliability of complementary diagnoses and support to maintenance planning, in order to reduce the negative financial impact caused by the application of unplanned Variable Parcels (VPs) and/or operational restrictions. Assisting in managerial decisions regarding the prediction of possible substitutions of CTs and PTs that may fail, allowing the guarantee of continuity of the electric power transmission services of Pará applying the concepts of Electric Power Quality, focusing on the quality of services.
Key words: instrument transformers, statistical methods, maintenance, degree of reliability.
1
Capítulo 1 INTRODUÇÃO
1.1 Introdução
Um sistema de transmissão é composto por diversas linhas e subestações, que são compostas por uma grande variedade de equipamentos e sistemas tais como: barramentos de diferentes níveis de tensão, transformadores de potência, disjuntores, seccionadoras, para-raios, transformadores de instrumentos, sistema de proteção, comando, controle e supervisão, sistema de telecomunicações, sistema de iluminação e os serviços auxiliares.
No atual modelo do setor elétrico brasileiro - SEB, as empresas transmissoras de energia são remuneradas pelas instalações disponibilizadas para o Sistema Interligado Nacional – SIN. No entanto, esta remuneração está vinculada à qualidade dos serviços, que está representada pela disponibilidade plena das instalações da Rede Básica - RB (a partir do nível de tensão de 230 kV). No caso do não atendimento da qualidade exigida para as instalações, está prevista a aplicação de uma penalização, denominada Parcela Variável - PV, desconto no valor da remuneração destinada aos agentes de transmissão, conforme critérios estabelecidos na Resolução Normativa 729/2016 – Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL. [1]
O Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS, responsável pela coordenação e controle da operação das instalações do SIN, efetua as remunerações e aplica as penalizações, considerando grupos de equipamentos, denominada função de transmissão (FT). Uma Função Transmissão é um “conjunto de instalações funcionalmente dependentes, considerado de forma solidária para fins de apuração da prestação de serviços de transmissão, compreendendo o equipamento principal e os complementares” (Artigo 2º - Item VII da Resolução Normativa 191/2005 – ANEEL). [2]
A remuneração prevista para cada FT é estabelecida por meio de resolução específica da ANEEL. A PV pode ser aplicada em caso de indisponibilidade, intervenção programada ou não, e no caso de restrição operativa das FT. Nos casos de indisponibilidades, o desconto da PV equivale ao valor que seria recebido como remuneração pelo período do desligamento, porém, multiplicado por um fator k, que para desligamentos programados, o fator multiplicador (kp) tem valores entre [2.5 a 10], e para outros desligamentos, pode variar de [50 a 150], dependendo da FT considerada (conforme tabela do anexo A, da Resolução Normativa 782/2017 - ANEEL) [3]. Nos casos de restrições operativas, a PV é calculada por fórmula específica e é proporcional à restrição causada e ao seu tempo de duração, conforme definido na Resolução Normativa 729/2016 – ANEEL. [1]
Os diversos equipamentos do sistema de transmissão estão sujeitos à ocorrência de defeitos, os quais podem redundar em falhas e resultar em indisponibilidades e/ou restrições operativas das FT a que eles pertencem. As atividades de manutenções preventivas realizadas nos equipamentos
2
são importantes para mantê-los livres de defeitos e falhas. No entanto, o desligamento para a realização de uma manutenção preventiva programada resulta na aplicação de uma PV por indisponibilidade programada. Portanto, as manutenções devem ser bem planejadas, para que sejam executadas no tempo previsto no Art. 12 do Item III da Resolução Normativa 729/2016 – ANEEL [1] e evitarem possíveis falhas, que resultem em PV de custos muito mais elevados. Em caso da ocorrência de defeitos e/ou falhas, são realizadas as manutenções corretivas, que devem ser bem planejadas, para serem realizadas em menor tempo possível e eficientes, evitando reincidências e aplicação de novas PVs.
Políticas de manutenções programadas iguais para todos os dispositivos de mesmo tipo, independente da sua história e condição, claramente não constituem recursos de padrões de qualidade elevados [4]. Atualmente, a avaliação de confiabilidade do sistema tem substituído a manutenção programada com base no tempo, para focalizar a manutenção com base na condição, com a perspectiva da redução dos custos de manutenção e de ocorrência de falhas. A confiabilidade de equipamentos depende das características que definam sua maior ou menor predisposição às falhas e defeitos, e sua necessidade ou não de manutenções.
A proposição desta dissertação é um sistema de controle para transformadores de instrumentos (TIs), em específico TCs e TPs, baseado em métodos estatísticos de dados que considerem: o histórico de manutenção, locais de instalação, as diversas famílias destes equipamentos, tempo de operação, ocorrências sistêmicas e tempo de vida útil, para estimar grau de confiabilidade operacional destes equipamentos, com base em desvio padrão a ser aplicado nas subestações da Regional de Operação do Pará. Visando a confiabilidade de diagnósticos complementares, com o intuito de auxiliar em decisões gerenciais quanto a previsão de possíveis trocas de equipamentos, que possam vir a falhar, assim permitindo a garantia de continuidade dos serviços de transmissão de energia elétrica para o estado do Pará - PA aplicando os conceitos de Qualidade de Energia Elétrica, com foco na qualidade de serviços.
1.2 Motivação
e Justificativa
Os TIs tais como: transformadores de corrente (TCs), transformadores de potencial (TPs) e os transformadores de potencial capacitivo (TPCs) constituem equipamentos fundamentais nos sistemas que envolvem proteção, comando, controle, supervisão e medição relacionados ao Sistema Elétrico de Potência - SEP. A escolha destes equipamentos para composição desta dissertação, deveu-se às ocorrências de explosões em TCs, entre os anos de 2015 a 2016, e alguns casos de divergências em medições relacionadas a TPs. Estes equipamentos se encontram instalados nas subestações pertencentes Eletrobrás Eletronorte -PA.
3
- Em 29 de agosto de 2016, houve um corte automático de 40% das cargas do sistema elétrico de distribuição em Sergipe e 12 estados tiveram redução de cargas de transmissão de energia por ocorrência no Sistema Interligado Nacional (SIN). Os estados atingidos foram: Alagoas, Amapá, Amazonas, Bahia, Ceará, Maranhão, Pará, Paraíba, Pernambuco, Rio Grande do Norte, Sergipe e Tocantins. [5]
- Em 02 de março de 2016, ocorreu falha em um linhão de Tucuruí que ocasionou um
blackout de uma hora nos estados do: Pará, Amazonas e Amapá. Parte das cidades integradas ao
SIN tiveram interrupção no fornecimento de energia elétrica e/ou oscilação na frequência. O ONS informou que ocorreu um problema em um TC da linha de transmissão (LT) de um acessante na subestação de Tucuruí e por atuação correta do sistema de proteção, a Usina Hidrelétrica de Tucuruí (Eletrobrás-Eletronorte) foi automaticamente desligada, separando uma parte da região Norte do restante do SIN. [6]
Estas ocorrências se deram por explosões em TCs de acessantes em subestações cuja a Eletronorte detém a concessão, o que acarretou em consideráveis prejuízos financeiros e, fundamentalmente, desconfianças quanto a segurança operacional destas instalações.
Esta dissertação visa apoiar o planejamento da manutenção, com o objetivo de reduzir a aplicação de PVs intempestivas e/ou por restrições operacionais e, em consequência, o impacto financeiro negativo causado por esta penalização às FTs que estes equipamentos (TCs e TPs) estão ligados. A proposta da metodologia de controle é priorizar ações de manutenção com base na confiabilidade de equipamentos, em especial TCs e TPs, visando a minimização dos desligamentos programados e a eliminação ou redução dos desligamentos intempestivos e restrições operativas para o sistema de transmissão do Pará.
1.3 Estado da Arte
No XXIII SNPTEE - 2015 [7] o grupo de subestações e equipamentos em alta tensão divulgou um estudo sobre estatística de taxa de falhas de TIs no SEB associado à vida útil dos equipamentos. Onde o ONS apresentou dados sobre as estatísticas de explosões de alguns equipamentos de potência, entre eles TIs, para-raios e disjuntores, verificadas no período de 2012-2014. Foram identificadas 113 ocorrências originadas por explosões dos equipamentos, sendo que em 31% houveram cortes de carga e em 9% houveram cortes de carga superiores a 100MW. A figura 1.1 apresenta o levantamento feito pelo ONS.
4 Figura 1.1 – Levantamento de explosões de equipamentos- 10/01/2014
Fonte ONS
As conclusões para as causas de explosões, para TIs especificamente, foram: No caso de TPs:
✓ Cerca de 40% das ocorrências envolveram equipamentos com fabricação há mais de 30 anos;
✓ 51% dos defeitos caracterizados como falha interna dielétrica e 25% como vazamento de fluido isolante.
No caso de TCs:
✓ Quase 73% das ocorrências envolveram equipamentos com fabricação há mais de 30 anos, sendo caracterizada tipicamente uma associação com a “curva da banheira” de falhas de equipamentos;
✓ 42% dos defeitos foram caracterizados como falha interna do dielétrico e 38% como vazamento de fluído isolante.
Nos gráficos mostrados na Figura 1.2 concluiu-se que todos os equipamentos apresentaram alto índice de falhas para equipamentos com mais de 30 anos de vida, com especial atenção para os TC’s de corrente, com um percentual de 73%.
5 Figura 1.2 – Falhas, por ano de fabricação, levantadas pela ANEEL junto aos agentes de transmissão do
SIN
Fonte ONS. As conclusões do estudo foram:
Para os TCs, o final da vida útil, associado com falhas internas e penetração de umidade contribui para o aumento do índice de falhas. A escolha dos TCs como primeiro tipo de equipamento a ser analisada foi feita devido às ocorrências evidentes e sucessivas terem chamado a atenção do grupo de trabalho na época do início de suas atividades. Para TPs, para-raios e disjuntores, o grupo necessitava-se de um estudo maior para averiguar se havia a mesma relação, embora os primeiros números apresentados sejam correlatos.
A taxa de falhas graves do Brasil àquele período, foram superiores as taxas de falhas apresentadas pelo CIGRÈ na Brochura [8]. O diagnóstico dos equipamentos é importante para a composição de um plano de ação de substituição destes equipamentos e posteriormente incorporar aos processos atualmente existentes à identificação e substituição por fim da vida útil. Com a revisão da Resolução Normativa 643/2014 - ANEEL [9], abriu-se possibilidades desse processo ser utilizado como base para o setor elétrico procurar melhorias ou reforços e aplicá-los conforme a legislação.
Além do trabalho apresentado pelo ONS em 2014, que já havia constatado a falha de alguns equipamentos elétricos e isto estava ocasionando perda de continuidade de Transmissão e Geração de energia, outros eventos que colaboraram para este estudo foram as ocorrências de explosões de TCs nos anos de 2015 e 2016, em subestações pertencentes a Eletronorte, como já descrito em itens anteriores.
Levando em consideração o cenário mostrado, a revisão bibliográfica desta dissertação aborda o tema: Grau de Confiabilidade aplicado ao SEB com foco em Qualidade de Energia, qualidade de serviços.
Em [10], o estudo de confiabilidade/disponibilidade de subestação pode dar subsídios para direcionamento dos investimentos, uma vez que uma das dificuldades encontrada pelas
6 concessionárias de energia elétrica é determinar os pontos mais vulneráveis do sistema. Muitas ferramentas e metodologias estão disponíveis para estudos de confiabilidade de subestações, incluindo Método de Monte Carlo, Árvore de Falhas, Método de Markov, Diagrama de Redes, entre outros. O problema a ser equacionado neste cenário é identificar por meio da relação “porte do sistema” versus “dados disponíveis” o método mais apropriado para uma situação específica.
Em [11] as incertezas associadas com o comportamento aleatório da rede elétrica são modeladas via técnicas probabilísticas, que é o objetivo da dissertação, estudar as técnicas probabilísticas disponíveis e adequar uma delas ao problema sugerido.
Em [12] e [13], “A principal vantagem dessas técnicas é a sua capacidade para combinar severidade e probabilidade, para expressar verdadeiramente o risco do sistema. Os principais métodos computacionais usados na estimação probabilística de índices de confiabilidade são a Simulação de Monte Carlo - SMC e a Enumeração de Estados”. Porém em [14], o autor adverte que a principal diferença entre essas técnicas, é que na SMC os estados do sistema são selecionados de forma aleatória, enquanto que na enumeração os estados são selecionados usando os seguintes critérios: ordem das contingências e valor mínimo para a probabilidade de um estado. Por outro lado, esses métodos têm uma desvantagem em comum: o alto custo computacional para estimar índices de confiabilidade com uma precisão aceitável.
A partir da [15], percebe-se que a PV é uma variável aleatória, que depende das indisponibilidades programadas (manutenção preventiva) e não programadas. Por sua vez, estas últimas, dependem das durações das falhas dos ativos de transmissão, como: falhas permanentes (queda de torres, falha de equipamento, falha humana, etc.), onde é necessária a intervenção da equipe de manutenção, e falhas transitórias (descarga atmosférica, queimadas), onde o ativo retorna à operação pela atuação de religamento manual ou automático.
Neste contexto, citado por [16], torna-se evidente que as empresas de transmissão de energia elétrica devem reduzir o custo decorrente da PV, de modo a maximizar o seu lucro anual. E uma das principais variáveis associadas com a minimização da aplicação de PV é o intervalo de tempo entre manutenções programadas. Relativo as atividades de manutenção em equipamentos elétricos de potência, se aplicado de forma programada, melhoram a condição de confiabilidade dos mesmos. Entretanto, o aumento na frequência de manutenções causa uma elevação nas cobranças de penalidades por desligamentos programados. Devido a isto, as empresas de transmissão devem determinar os intervalos de manutenção visando obter um equilíbrio entre as penalidades causadas por desligamentos programados e não programados.
7 De acordo com [17] a metodologia de Manutenção Centrada na Confiabilidade é um conjunto de sistemas, concretos ou abstratos, onde se procura um método ou procedimento para definir uma relação de finalidade. Esta relação deve ser estabelecida de acordo com a característica do sistema, da instalação ou equipamento, estabelecendo um objetivo a ser atingido.
Em [18], o autor adverte que devem ser estabelecidos além de critérios de avaliação do transformador, um padrão de registro dos dados para esta avalição, com índices, nomenclaturas e estágios para quantificação. No Gerenciamento do Ciclo de Vida de TPs e TCs é definido o processo de Avaliação da Condição (AC) como um de seus principais itens. Na literatura, o termo “Avaliação da Condição” é comum tanto para atividades de monitoramento quanto para procedimentos de diagnóstico.
Em [19] e [20], ‘’O Controle Estatístico do Processo consiste na aplicação de um conjunto de técnicas estatísticas para determinar se o resultado do processo segue as especificações estabelecidas para um produto ou serviço. Ele fundamenta-se em três princípios da probabilidade e estatística, a saber: o teorema do limite central, a estratificação das causas da variabilidade entre comuns e especiais, e o conceito de independência entre observações”. Sendo que o teorema do limite central garante que a distribuição da média dos dados de uma população qualquer tenda a seguir um padrão normal. A estratificação entre causas comuns e especiais permite focalização em ações consideradas significantes para a melhoria do processo. Onde as causas comuns são as pequenas causas que atuam de forma aleatória e inevitável sobre o processo e normalmente requerem intervenções sobre todo o sistema para que sejam eliminadas. Causas especiais, ou assinaláveis, seguem padrões sistemáticos de ocorrência, tendo efeito expressivo sobre o sistema, podendo ser eliminadas por ações focadas, atuando sobre um recurso, equipamento ou condição operacional, por exemplo.
Em [21], o desvio padrão (medida de dispersão em torno da média) pode ser um indicador do grau de confiabilidade de um instrumento de medidas, e como os TCs e TPs são transformadores de medidas elétricas, esta técnica pode ser utilizada. Pois quanto menor o valor do desvio padrão maior será o grau de confiabilidade para um instrumento de medida, que é o desejável para o Sistema de Transmissão de Energia Elétrica. Além dessa maneira de confiabilidade de um instrumento de medidas pode ser determinada mediante diversas técnicas e procedimentos, sendo os mais conhecidos os seguintes: técnica do teste resteste, de formas equivalentes e das metades partidas.
Em [22] tem-se um exemplo de aplicação da distribuição Normal, com desvio padrão aplicado, este foi o artigo apresentado no SNPTEE/2009 sobre o Aperfeiçoamento de
8 Metodologia para Medir a Temperatura de Para-Raios de 69kv a 500kv por Termovisão nas Subestações da Eletronorte – metodologia desenvolvida pelo CEPEL/Eletronorte e utilizada no sistema Eletrobrás. Onde o objetivo principal era mapear o universo de Para-Raios de cada subestação através das variáveis: medição de corrente de fuga, termografia e radiofrequência, na condição on-line, para diagnóstico da condição operativa e com isso identificar espécimes defeituosos, retirá-los de operação e manter a continuidade do Sistema de Transmissão de EE para o SIN, cuja proposta de trabalho será utilizá-lo para aplicação em outros equipamentos de potência, tais como TCs e TPs.
Quanto a confiabilidade em [23], é quantificada por métodos matemáticos de probabilidade e estatística, pois confiabilidade trabalha-se com incertezas, porque mesmo conhecendo a taxa de falhas não é possível afirmar o momento em que a próxima falha ocorrerá, mas pode-se apresentar uma probabilidade de falha.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivos Gerais
A proposição é de desenvolver e aplicar uma metodologia para controle de TIs, em especial TCs e TPs, baseado em métodos de análise estatística sobre falhas de TIs aplicando probabilidade e estatística, e esta metodologia deverá ser aplicada nos TCs e TPs que compõem a Rede Basica do SIN das subestações da Regional de Operação do Pará.
Para esta dissertação foi escolhido a distribuição probabilística Normal (Gaussiana), cujo cálculo é baseado no desvio padrão do valor médio e variância de um universo de espécimes de variáveis aleatórias. E utilizado a análise de dados como: histórico de manutenção, locais de instalação, as diversas famílias dos equipamentos TCs e TPs, tempo de operação, ocorrências sistêmicas e tempo de vida útil, visando garantir a confiabilidade de diagnósticos complementares e apoio ao planejamento da manutenção, com o intuito de reduzir a aplicação de Parcelas Variáveis (PVs) intempestivas e/ou restrições operativas.
1.4.2 Objetivos Específicos
Considerando a motivação e justificativa relatada em itens anteriores e outros que envolvem falhas internas em transformadores de instrumentos (TPs, TCs, TPCs) com diagnósticos pontuais, foram necessárias as seguintes ações:
9
✓ Identificar e estratificar os problemas em equipamentos por: fabricantes, classe de tensão e instalação;
✓ Verificar situação do Plano de Manutenção dos equipamentos (Cadastros, Ensaios, programa de manutenção planejada periódica - PMP, Resultados de Ensaios, outros);
✓ Avaliar risco envolvido, segregado por instalação;
Estes tópicos visam o atendimento ao Art. 3 da Resolução 643 da ANEEL de 2014, “que,
a concessionária de transmissão deverá encaminhar à ANEEL, ao ONS, à Empresa de Pesquisa Energética – EPE e ao Ministério de Minas e Energia - MME, até 1º de fevereiro de cada ano, a relação dos equipamentos com vida útil remanescente de até quatro anos, incluindo aqueles com vida útil esgotada, considerando-se a vida útil calculada a partir das taxas de depreciação estabelecidas no Manual de Controle Patrimonial do Sistema Elétrico – MCPSE [24], e dos equipamentos que não têm mais possibilidade de continuar em operação”. [9]
1.5 Estrutura e Organização do Trabalho
O trabalho aqui desenvolvido está organizado como segue:
O capitulo 1. Introdução para a Dissertação, apresentando justificativas para escolha do tema, informa sobre o estado da arte, através de citações de trabalhos realizados. E descreve os objetivos gerais e específicos pretendidos.
O capítulo 2. Apresenta os conceitos de Qualidade de Energia Elétrica através de uma revisão bibliográfica, com foco em qualidade de serviços. Em particular a aplicação de qualidade de energia elétrica, voltado para confiabilidade e presteza.
O capítulo 3. Apresenta em uma revisão bibliográfica os conceitos de grau de confiabilidade voltados para o Sistema Elétrico de Potência - SEP.
O capítulo 4. Apresenta a análise das distribuições probabilísticas, voltada para confiabilidade, que dará embasamento matemático e justificará a distribuição probabilística escolhida e aplicada nesta dissertação.
O capítulo 5. Apresenta os resultados gerados pela aplicação da metodologia escolhida para este trabalho, fazendo uma análise do método escolhido.
O capítulo 6. Apresenta as conclusões da dissertação e as recomendações para trabalhos futuros.
10
1.6 Trabalho Aceito para Publicação
• E. D. Sousa, M. E. Tostes, F. J. Zortea. Grau de Confiabilidade Operacional de Transformadores de Instrumentos para Sistemas Elétricos de Potência. XII
LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND
11
Capítulo 2 QUALIDADE DE ENERGIA, COM FOCO EM QUALIDADE
DE SERVIÇOS
2.1 A Energia Elétrica, Qualidade e Definições
A energia elétrica (EE) chega às indústrias e residências por meio do SEP que é composto de usinas geradoras e subestações, linhas de transmissão e de distribuição e alimentadores. O sistema de EE começa nas usinas geradoras e em seguida é transportada por uma complexa rede de LTs Aéreas ou de Cabos subterrâneos até alcançar seus centros consumidores [25].
Para manter o nível de tensão dentro dos limites operacionais aceitáveis, tanto em nível de transmissão como de distribuição, são necessárias medidas de controle, pois estes sistemas estão constantemente sujeitos a ocasionais variações de tensão, que mesmo dentro de limites pré-estabelecidos, podem causar operações incorretas em equipamentos elétricos sensíveis, em diversos setores [26]. Para avaliar o quanto um sistema está operando fora de suas condições normais, duas grandezas elétricas básicas podem ser empregadas: a tensão e a frequência.
A frequência do SIN no Brasil, situa-se na faixa de 60 Hz ± 0,5Hz. Em relação à tensão, três aspectos principais devem ser observados em um sistema elétrico trifásico ideal: as tensões em qualquer ponto deveriam ser, de forma permanente, perfeitamente senoidais, equilibradas, e com amplitude e frequência constantes. Qualquer desvio, acima de certos limites, na característica desses parâmetros é considerado um problema de qualidade de energia elétrica (QEE) [27]. Na Figura 2.1, o gráfico de amplitude de tensão ao longo tempo, uma senóide típica de um sistema ideal onde 1 (um) ciclo corresponde a 16 milissegundos.
Figura 2.1 - Gráfico da Onda Senoidal Típica da Tensão
FONTE: Bronzeado (1997).
Nas últimas décadas, têm aumentado consideravelmente o número de equipamentos elétricos sensíveis à QEE como computadores, controles de processo e equipamentos de
12 comunicação, cujos sistemas são mais sensíveis do que as tradicionais cargas anteriormente existentes [27].
2.1.1 QEE e Grandezas
Definições de variações de tensão para a QEE [27]:
• Variações sustentadas de tensão - são variações de valor eficaz da tensão entre dois níveis consecutivos, com duração incerta, porém maior que ou igual a 1 (um) minuto;
• Variações momentâneas de tensão - são variações momentâneas no valor eficaz da tensão entre dois níveis consecutivos, com duração incerta, porém menor do que 1 minuto. E podem ser classificadas como: Interrupções Momentâneas de Tensão (IMT), Elevações Momentâneas de Tensão (EMT) e Afundamento Momentâneo de Tensão (AMT);
• Variações instantâneas de tensão - são variações súbitas do valor instantâneo da tensão. E são subdivididas em: Cortes na Tensão, Transitórios Oscilatórios de Tensão e Surtos de Tensão;
• Variações sustentadas ou momentâneas de frequência - são pequenos desvios do valor da frequência fundamental das tensões decorrentes do desequilíbrio entre a geração da EE e a demanda solicitada pela carga;
• Distúrbios quase-permanentes - são distúrbios causados pela operação de cargas não-lineares. Definidos como: Flutuação de Tensão; Desequilíbrio de Tensão; Distorção Harmônica Total e Cintilação.
A Figura 2.2 apresenta os gráficos das formas de onda da EE dos principais distúrbios de QEE em um SEP [25].
Figura 2.2 - Distúrbios Associados à Qualidade de Energia Elétrica
13 As formas de onda são de acordo com a seguinte legenda:
a) Tensão normal; b) Surto de Tensão;
c) Transitório Oscilatório de Tensão; d) Subtensão Momentânea;
e) Interrupção Momentânea de Tensão; f) Sobretensão Momentânea;
g) Distorção Harmônica; h) Cortes na Tensão.
A seguir será tratado sobre a qualidade do fornecimento de energia elétrica voltado para o setor de transmissão, enfatizando a confiabilidade, conformidade e presteza de serviço.
2.2 Qualidade do Fornecimento de EE Focado no Setor da Transmissão:
Confiabilidade e Presteza
Quando se pensa em regulação, é natural se concentrar no processo de definição de tarifas, mas a regulação não se limita apenas à relação entre preço e quantidade, pois há uma outra dimensão tão importante quanto a modicidade tarifária: a qualidade.
Zelar pela qualidade do fornecimento de EE é uma tarefa complexa, pois é necessária atenção para as múltiplas dimensões da qualidade do fornecimento, no que tange à confiabilidade, conformidade e presteza do serviço. O serviço adequado envolve a combinação dessas três dimensões [29].
Outro ponto é que a QEE depende da atuação conjunta de um grande número de agentes que inclui geradores, transmissores e distribuidores. Significando que a regulação precisa ser cuidadosamente concebida para proporcionar incentivos e punições adequadas para disciplinar a atuação de todos agentes. Porque é preciso aferir o nível de QEE almejada pelos consumidores, contrapondo o benefício de uma melhora na qualidade ao custo incorrido para obtê-la. Qualidade tem custo, que se traduz em preço/tarifa para o consumidor, e este compromisso nem sempre é claramente comunicado e compreendido. [30]
A prestação do serviço de fornecimento de EE é um fator desafiante da sociedade moderna, para que o consumidor disponha de EE no momento em que acionar um interruptor ou conectar um aparelho elétrico na tomada é necessário que um vasto aparato – composto por centrais geradoras, LTs, subestações, linhas e transformadores de distribuição – esteja apto a operar de forma coordenada.
14 O que significa que a operação de sistemas elétricos precisa ajustar-se continuamente às oscilações no consumo de EE a fim de evitar desequilíbrios que, em casos extremos, podem levar todo o sistema ao colapso, com severas consequências para seus consumidores. Sendo que a EE permeia a nossa rotina diária e é utilizada para: iluminação, conservação de alimentos, produção de trabalho mecânico, telecomunicações, computação, climatização, entre muitos outros fins. É difícil pensar em como seria a vida moderna sem energia elétrica.
Embora o setor elétrico responda por aproximadamente 2,2% do Produto Interno Bruto (PIB) do país, quando ocorre uma falha no SEP que leva a perda de transmissão de EE o impacto sobre o PIB vai muito além desse percentual, pois a eletricidade é um insumo básico de consumo e de produção utilizado em todos os setores da economia. Os prejuízos provocados por uma falta de EE normalmente superam o próprio custo da energia. A exemplo dos graves danos causados por uma interrupção inesperada no fornecimento de EE, pode-se citar as seguintes:
• acidentes devido à perda da sinalização de trânsito;
• males à saúde devido à perda de climatização (especialmente para os idosos e crianças em incubadoras);
• incêndios ou explosões devido à perda de sensores e controles eletrônicos em aplicações industriais;
• danos a equipamentos industriais;
• perda de produção na indústria, de vendas no comércio, de negócios; e • vandalismo, roubos e saques.
Mesmo falhas momentâneas, de alguns poucos minutos, podem provocar elevados prejuízos, sendo muito mais severas quando ocorrem de forma inesperada do que quando são previamente programadas e comunicadas. A qualidade do fornecimento de EE é, portanto, uma preocupação central no planejamento e operação do SEP [30].
Para assegurar a qualidade do fornecimento de EE há dois grandes desafios que precisam ser encarados:
a. Como assegurar a confiabilidade de um sistema no qual a responsabilidade pelo fornecimento é compartilhada por tantas empresas diferentes; e
b. Como discernir o nível de qualidade desejado pelos consumidores que seja compatível com as receitas tarifárias requeridas para prover o serviço.
Assegurar a confiabilidade de um sistema composto por tantas empresas diferentes em fornecimento é uma tarefa difícil, pois há fortes interdependências entre as empresas que atuam no SEP. Para que o fornecimento de EE funcione adequadamente é necessário que todos os
15 agentes desempenhem suas funções de forma adequada. A qualidade da prestação de serviço de todos os demais agentes do SEP pode ser prejudicada se uma empresa falhar.
Quando o fornecimento de EE é provido por uma única empresa verticalmente integrada, há clara responsabilização pelas falhas. Porém, em um ambiente composto por múltiplos agentes, como é o caso do Setor Elétrico Brasileiro - SEB, é essencial que haja uma governança institucional e uma regulamentação robusta para delimitar claramente as responsabilidades de cada agente, prevendo penalidades para os que não cumprirem suas responsabilidades e proporcionando uma estrutura de incentivos adequada para induzir cada agente a zelar pela qualidade do serviço que lhe cabe [29].
O segundo desafio envolve a definição do nível de qualidade desejado. Alguns atores defendem a idéia do “quanto mais qualidade, melhor” até o momento em que o custo associado ao grau de qualidade exigido lhes é apresentado. Mais qualidade significa mais investimentos e maiores custos operacionais, o que também implica em um repasse de maiores tarifas aos consumidores. É preciso avaliar qual é a melhor relação custo-benefício que atenderá às necessidades do consumidor.
Dois desafios relativos à qualidade no fornecimento de EE serão analisados: ➢ Examinar como a regulação setorial lida com ambas as questões; e
➢ Proposições de formas para melhor satisfazer aos anseios e demandas dos consumidores.
A seguir descrever-se-á sobre a conceituação da qualidade no fornecimento de EE, com foco no setor da transmissão.
2.3 Conceituação da Qualidade no Fornecimento de EE, visando o Setor
da Transmissão
Quando ocorre uma interrupção no fornecimento de EE, as atenções dos consumidores se voltam imediatamente à concessionária de distribuição de eletricidade local, mas a interrupção pode ter sido ocasionada por falha: [27]
• Na rede da concessionária de distribuição; ou
• Em alguma instalação da rede de transmissão que transporta a EE até a distribuidora; ou
• Em alguma central de geração que supre EE para a rede de transmissão.
São centenas de empresas que precisam atuar de forma harmoniosa e síncrona para assegurar que o consumidor tenha EE no momento desejado. As causas dessas interrupções no
16 fornecimento de EE também podem ser muito variadas. O evento ou ação que leva o SIN a operar fora de suas condições normais é denominado de “ocorrência” para o SEP. Uma ocorrência pode ter origem “interna” ou “externa”. As principais ocorrências de origem interna são:
• Escassez do recurso energético natural (caso de estiagem no caso de hidrelétricas e período de ‘calmaria’ – falta de ventos – no caso de eólicas);
• Sobrecarga;
• Falha de equipamento;
• Planejamento equivocado; e
• Erro operacional.
As principais ocorrências de origem externa são:
• Tempestades (raios, ventanias, enchentes, quedas de árvores e barrancos);
• Queimadas;
• Acidentes (acidentes de trânsito envolvendo batidas em postes, objetos enroscados nos cabos elétricos); e
• Manipulação de instalações de distribuição por terceiros (furto de energia, furto de cabos e equipamentos, sabotagem).
Já uma perturbação é caracterizada quando a ocorrência leva ao desligamento forçado de um ou mais componentes do SIN, resultando em [28]:
a) corte de carga;
b) desligamento de outros componentes do sistema; c) danos em equipamentos; ou
d) violação de limites operativos.
A Figura 2.3 explicita as dimensões relacionadas a qualidade ao fornecimento de EE, abrangendo geração, transmissão e/ou distribuição desta EE até o consumidor.
Figura 2.3 - Dimensões da qualidade do fornecimento de energia elétrica
17 Uma vez que um sistema elétrico sempre estará sujeito a ocorrências, é importante que seja dimensionado adequadamente para atender à carga prevista e que tenha margem de manobra suficiente para lidar com grande parte dessas ocorrências de forma a evitar perturbações excessivas no fornecimento de EE aos clientes, de forma a prover a confiabilidade desejada [26].
Além da garantia de continuidade do serviço, há a questão da conformidade da tensão elétrica. Oscilações no fornecimento de EE podem prejudicar a operação de aparelhos elétricos e/ou danificá-los. E há a questão da qualidade do atendimento comercial do consumidor, esta experiência não se resume somente ao fornecimento físico de EE, mas a qualidade do atendimento é um item importante. Portanto, quando se fala em qualidade de fornecimento de EE é necessário levar em consideração a celeridade (presteza) com a qual a empresa atenderá ao consumidor, o grau de satisfação deste atendimento e o nível de cumprimento das obrigações da concessionária.
Como poderá se observar no item seguinte, a qualidade do fornecimento de EE envolve múltiplas dimensões que serão abordadas de forma mais detalhada.
2.4 Confiabilidade para Qualidade do Fornecimento de EE
Relativo a qualidade do fornecimento de EE, geralmente os consumidores se referem à confiabilidade do fornecimento, pois estes desejam poder consumir EE na hora e na quantidade que lhes convém. Em virtude disso, a discussão sobre a qualidade do fornecimento de EE não pode ser feita sem a formalização do conceito de confiabilidade.
O conceito de confiabilidade envolve dois conceitos:
• Adequabilidade; e
• Segurança.
O primeiro conceito remete à questão do dimensionamento do sistema para atendimento à demanda de EE, enquanto o segundo se refere à robustez do sistema para lidar com contingências. [11]
2.4.1 Adequabilidade
A adequabilidade se refere à capacidade do sistema elétrico para atender à demanda do consumidor. Para isto é preciso examinar a capacidade combinada de geração, transmissão e
18 distribuição do sistema para entregar EE ao consumidor em cada instante, levando em conta o comportamento da carga ao longo de cada dia, semana, mês e ano [30].
Em muitos países uma parte da EE é gerada por termelétricas (carvão, gás natural, nuclear). Nesses sistemas, a adequação da geração é relativamente fácil, pois depende essencialmente da capacidade instalada de cada usina e a respectiva taxa de indisponibilidade, seja por manutenção preventiva ou por interrupção forçada ocasionada por falha do equipamento. Porém, quando o sistema é baseado numa matriz energética com predominância em fontes renováveis, a adequação da oferta não é tão simples, pois o montante de EE disponibilizado por essas usinas não depende somente de sua capacidade instalada, mas da disponibilidade dos recursos energéticos naturais que a impulsionam, como [29]:
➢ Água, no caso de hidrelétricas; ➢ Ventos, no caso de eólicas;
➢ Bagaço de cana ou serragem, para usinas termelétricas a biomassa; e ➢ Radiação solar, para geradores fotovoltaicos ou termossolares.
A oferta de EE proveniente de fontes renováveis é estocástica, isto é, a oferta de energia apresenta um componente aleatório, o que significa que a produção dessas usinas não é inteiramente previsível. Sendo esse um dos fatores complicadores à avaliação da adequação de oferta de eletricidade no Brasil. Como a maior parte da geração brasileira advém de hidrelétricas, a oferta potencial de EE do parque gerador varia muito a cada ano por função das condições climáticas. Dessa forma, é preciso avaliar qual a quantidade de EE esperada dessas usinas na maior parte do tempo. No Brasil, essa expectativa é denominada de Garantia Física da usina. Com base nas estatísticas hidrológicas coletadas ao longo de décadas, avalia-se o nível de geração que se pode produzir das hidrelétricas com um certo nível de confiança desejado (ou arbitrado) [30].
Assim como na adequação da geração, a da transmissão também se torna mais complexa em sistemas com grande participação de fontes renováveis, pois os fluxos de EE na rede passam a variar não só em intensidade (devido à variação da carga), mas também devido à variação das fontes. Quando uma fonte renovável, como um aerogerador reduz sua produção devido à indisponibilidade de vento, é preciso acionar outra usina para atender à carga. De modo que a rede de transmissão necessita ser dimensionada para viabilizar o escoamento de EE levando em conta as diversas combinações de geradores que podem vir a ser acionados em dado momento [29].
Na distribuição, a adequação das redes também é um desafio constante, pois é preciso ajustar a configuração da rede para acompanhar a evolução da carga na sua área de concessão.
19 Significando reforçar a capacidade de fornecimento para áreas que sofrem adensamento do consumo de EE como, no caso de um bairro em que casas são gradualmente substituídas por prédios. Pode significar também a construção de novas linhas e subestações para expandir a rede a fim de atender a novas áreas, como um novo loteamento ou parque industrial.
2.4.2 Segurança
A segurança do sistema elétrico refere-se à capacidade em lidar com ocorrências internas, tais como falhas de equipamentos e ocorrências de origem externa (causadas, por exemplo, por tempestades e acidentes). Um sistema elétrico raramente tem à sua disposição todos os seus componentes para atender à carga num dado momento. Sempre há equipamentos fora de serviço, seja para manutenção preventiva ou por falha do equipamento. Portanto, para que essas indisponibilidades não prejudiquem demasiadamente o fornecimento de EE, estes sistemas precisam ser dimensionados com algum grau de redundância.
No elo da geração, isso se traduz na necessidade de ‘margens de reserva’, ou uma disponibilidade de geração adicional caso haja algum problema com os geradores que inviabilize a operação de usinas programadas para entrar em funcionamento.
Já nas redes de transmissão e distribuição, geralmente adota-se o critério ‘N-1’, o que significa que a rede elétrica deve ser configurada para suportar a falha de qualquer um dos seus componentes sem interrupção do fornecimento. Em algumas regiões ou situações em que se deseja maior segurança, adota-se o critério ‘N-2’, o que significa que a rede deve ser configurada para suportar a falha de até dois componentes quaisquer sem comprometer a continuidade do serviço. [30].
A segurança não é impactada unicamente pelo planejamento da expansão do sistema elétrico, mas também pelos procedimentos de operação. É muito importante que haja clara delimitação da hierarquia operacional dos centros de operação e das atribuições de responsabilidades de cada agente. Os operadores devem ser qualificados e treinados para lidar com uma ampla gama de contingências. Esquemas de alívio de carga devem ser previamente definidos para implantação rápida para que uma eventual perturbação que leve a uma queda no suprimento de EE não provoque colapso total do sistema.
Aspectos centrais da operação para manutenção da segurança do sistema são:
• A programação diária da operação, na qual se define quando e quais usinas serão acionadas ao longo do próximo dia; e
20 • Ações manuais e automáticas de gerenciamento de carga, como “corte indireto” (redução intencional do nível de tensão), corte direto da carga e remanejo de cargas entre instalações da rede básica de transmissão.
Toda a operação é coordenada pelo ONS, situado no Rio de Janeiro e quatro outros Centros Regionais de Operação: Centro-Oeste e Norte, localizado em Brasília; Nordeste, no Recife; Sudeste, no Rio de Janeiro; e Sul, em Florianópolis. [29]
Tão importante quanto a prevenção de interrupções e colapsos de tensão são os preparativos para promover a rápida recomposição do sistema após a ocorrência de um blecaute, que não é trivial. É preciso contar com usinas de auto-restabelecimento para iniciar a recomposição, sincronizar os geradores, e retomar a carga de forma gradual a fim de evitar oscilações de potência e tensão que possam originar novas perturbações [29].
Destaca-se também a importância da análise pós-operação para examinar as causas das perturbações ocorridas, que é fundamental para o aprimoramento da segurança do sistema, pois tem o intuito de prevenir a repetição do mesmo problema no futuro.
2.4.3 Conformidade
A segunda dimensão da qualidade refere-se à conformidade do fornecimento de EE alternada no nível de tensão e frequência padrão. No Brasil, a tensão final de fornecimento de EE é estabelecida em 110 ou 220 volts (V), em corrente alternada, com frequência de 60 hertz (Hz).
A conformidade de EE aborda os seguintes aspectos: [31] e [32] • nível de tensão em regime permanente;
• desequilíbrio de tensão;
• variação de tensão de curta duração; • flutuação de tensão;
• variação de frequência; • fator de potência; e • harmônicos.
A tensão é avaliada de várias formas. O nível de tensão em regime permanente refere-se à avaliação do nível de tensão a partir de um conjunto de leituras de dez minutos de duração cada. Os equipamentos elétricos são projetados para operar numa determinada tensão. Alguma variação na tensão é tolerável, mas acima de determinados limites os equipamentos deixam de funcionar adequadamente, sendo que variações maiores podem até danificar os equipamentos.
21 O desequilíbrio de tensão refere-se a alterações dos padrões trifásicos do sistema de distribuição. As redes trifásicas são compostas de três linhas (fases), cada qual com a corrente alternada defasada em 120 graus em relação à onda senoidal da linha anterior. Redes trifásicas são utilizadas, pois minimizam os campos eletromagnéticos no transporte e permitem o uso de máquinas trifásicas mais eficientes pela utilização plena dos circuitos magnéticos, mas para isso é necessário que as três fases estejam balanceadas.
A variação de tensão de curta duração consiste de desvios no nível de tensão em curtos intervalos de tempo. Neste caso, ‘curta duração’ representa fenômenos momentâneos, de até três segundos; e ‘temporários’, de até três minutos. Esses desvios podem tomar a forma de ‘afundamento de tensão’ (redução no nível de tensão), elevação de tensão, ou mesmo de interrupção do fornecimento. Embora a variação de tensão seja transitória, ela também pode comprometer o funcionamento de aparelhos elétricos.
A flutuação de tensão consiste de uma série de variações de tensão, regulares ou não, que ocasionam o fenômeno conhecido como cintilação (flicker). A flutuação de tensão geralmente decorre da operação de cargas variáveis. O seu principal efeito é a variação do fluxo luminoso de lâmpadas.
Além da tensão, deve-se atentar também para a frequência da corrente alternada. As variações de frequência geralmente derivam da alteração da velocidade de rotação das turbinas e seus respectivos geradores em resposta a variações abruptas na carga. A frequência é a dimensão da qualidade que gera menos preocupação em sistemas interligados, pois a própria inércia dos geradores interligados tende a autocorrigir os desvios de frequência. Porém no limite de variações de frequência também podem prejudicar o funcionamento de equipamentos, especialmente aqueles que utilizam a corrente para a contagem de tempo.
O fator de potência - FP refere-se à relação de potências ativa e reativa na rede. Há equipamentos que provocam variações no FP. Motores a indução demandam energia reativa quando acionados, mas essa energia reativa é aquela que circula de forma oscilante nas instalações, porém não é consumida nem produz trabalho útil. A demanda de potência reativa reduz o FP da rede, o que requer mais potência aparente para atender à mesma carga. Alternativamente, essa distorção pode ser minimizada ou corrigida localmente por meio de investimentos em bancos de capacitores ou reatores.
Os harmônicos são distorções na forma do sinal de tensão causados por cargas não-lineares, com frequências iguais a múltiplos inteiros da frequência do sistema. Esses distúrbios harmônicos são ocasionados por dispositivos com núcleo ferromagnético saturável e por dispositivos chaveados eletronicamente. Tais dispositivos se tornaram muito comuns nos
22 últimos anos, agravando o problema e elevando a demanda por aprimoramento da qualidade do fornecimento de EE. A presença de harmônicos na rede cria uma série de problemas: sobreaquecimento, erros de medição, vibrações em máquinas, alterações no acionamento, redução do FP. O problema pode ser mitigado através de instalação de filtros especiais.
2.4.4 Atendimento Comercial
A terceira dimensão da qualidade do fornecimento de EE refere-se ao atendimento comercial do consumidor. A relação da empresa com o consumidor não se manifesta apenas por meio da entrega física da EE, mas também do consumidor ter suas solicitações atendidas com presteza e cortesia. O que inclui o tratamento recebido nas centrais de atendimento, centrais de atendimento telefônico e no atendimento de serviços solicitados na unidade de consumo, tais como: vistoria, ligação, aferição de medidor, ressarcimento por danos elétrico, elaboração de estudos, orçamentos, projetos etc.
Como descrito as três dimensões da qualidade – confiabilidade, conformidade e atendimento comercial ou presteza do serviço – têm naturezas diferentes e requerem ações distintas para que seja assegurada a satisfação do consumidor.
No entanto, as três dimensões impõem ao regulador:
• Zelar pela qualidade resultante da atuação de múltiplos agentes requer uma delimitação clara e objetiva das responsabilidades de cada agente, uma fiscalização abrangente da atuação de cada agente, e uma regulamentação com previsão de punições e recompensas que induza cada agente a zelar pela qualidade; e
• Identificar o nível de qualidade desejado pelo cliente. O aprimoramento da qualidade é custoso e, é necessário equilibrar até qual ponto se deseja sacrificar a modicidade tarifária em troca de mais qualidade.
Antes de abordar essas questões, o próximo item examina alguns indicadores de qualidade do fornecimento de EE no Brasil.
2.5 Indicadores de Confiabilidade na Distribuição de Energia
Tipicamente avalia-se a confiabilidade do fornecimento de EE com base em indicadores de continuidade. Há duas famílias básicas de indicadores de continuidade:
• As que mensuram a frequência de interrupções durante um determinado intervalo de tempo; e
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• As que mensuram a duração cumulativa das interrupções ocorridas durante um determinado intervalo de tempo.
A frequência de interrupções está associada principalmente às condições físicas dos ativos da concessionária: a configuração da rede, o grau de redundância e o estado dos equipamentos (idade dos equipamentos e qualidade de sua manutenção). Assim, a frequência está mais associada com os investimentos realizados pela empresa ao longo dos anos.
Relativo a duração das interrupções está associada principalmente aos recursos humanos e materiais disponibilizados para realizar reparos visando à recomposição e ao reparo da rede, sendo mais associada aos custos operacionais incorridos pela concessionária.
Destacam-se no aspecto da qualidade do serviço os indicadores de continuidade coletivos - Prodist Módulo 8.2 – item 5 [33]:
O FEC – Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (UC) – indica o número de interrupções médio de um determinado conjunto de consumidores no período de apuração (soma do número de interrupções sofridas em cada UC no período de apuração, dividida pelo número de UCs).
O DEC – Duração Equivalente de Interrupção por UC – indica a média de horas que os consumidores de um determinado conjunto ficaram sem fornecimento de energia no período de apuração (soma do número de horas que cada UC passou sem energia no período de apuração, dividida pelo número de UCs).
E os indicadores de continuidade individuais DIC, FIC e DMIC- Prodist Módulo 8.2 – item 5 [33]:
O DIC - Duração de Interrupção Individual por UC ou por Ponto de Conexão (PC) – indica duração de interrupção individual por UC ou por PC, expressa em horas e centésimos de hora.
O FIC - Frequência de Interrupção Individual por UC ou por PC – indica frequência de interrupção individual por UC ou por PC, expressa em número de interrupções.
O DMIC - Duração Máxima de Interrupção Contínua por UC ou por PC – indica duração máxima de interrupção contínua por UC ou por PC, expressa em horas e centésimos de hora.
O exame da trajetória histórica dos indicadores coletivos no país entre o período de 2010 a 2017 (Figuras 2.4 e 2.5), revela que houve uma melhora substancial na qualidade do fornecimento de EE na última década. Entre 2010 e 2017, o FEC médio do país foi reduzido em 65% e o DEC foi reduzido em 58%.
